در این مقاله دو عرصه تحقیق و توسعه فناوری‌نانو که به اعتقاد ما از جذابیت بیشتری برای صنعت پتروشیمی کشور برخوردار می‌باشند، پیشنهاد می‌گردند.
عرصه اول: نانوکاتالیزورها (بهره‌گیری از محصولات فناوری‌نانو در بهبود فرایندها)
عرصه دوم: نانوکامپوزیت ها (محصولات جدید مبتنی بر فناوری‌نانو)مقدمه
رفتار ماده در مقیاس میانی نانومتری (یعنی مابین مقیاس آنگستروم تا مقیاس میکرونی) تفاوتی بنیادی با رفتار آن در دیگر مقیاس‌ها دارد و کنترل این رفتار با کمک فناوری‌نانو موجب پدیدآمدن انبوهی از خواص مفید می‌گردد، که می‌توانند منافع تجاری فراوانی را نیز به همراه داشته باشند. در ذیل دو عرصه تحقیق و توسعه فناوری‌نانو که به اعتقاد ما از جذابیت بیشتری برای صنعت پتروشیمی کشور برخوردار می‌باشند، پیشنهاد می‌گردند. عرصه اول به بهره‌گیری از محصولات فناوری‌نانو در بهبود فرایندها و عرصه دوم به محصولات جدید مبتنی بر فناوری‌نانو مربوط می‌شود.
1. نانوکاتالیزورها و مواد نانوحفره‌ای
1-1. مقدمه
فناوری‌نانو نویدبخش بهبود جهش‌آور کاتالیزورهاست و وجود کاتالیزورهای کارا و انتخاب‌پذیر به معنای کاهش تصاعدی هزینه‌های جاری و ثابت واحدهای پتروشیمی است (مثل حذف محصولات جانبی و درنتیجه واحدهای جداسازی، عدم استفاده از فلزات گران‌بها، انجام واکنش در شرایط دما و فشار ملایم‌تر، و پایداری کاتالیزور).
در فرایندهای کاتالیزوری مختلف معمولاً از پایه‌های بسیار متخلخلی استفاده می‌شود، که اندازه حفرات آنها در حد نانومتر است. با این وجود تنها مواد موسوم به زئولیت‌ها دارای اندازه حفره کاملاً تعریف‌شده‌ای می‌باشند. به عنوان مثال هم‌اکنون در صنعت پتروشیمی، اندازه دقیق حفرات زئولیت Y باعث واکنش انتخابی و بسیار اقتصادی ایزومریزاسیون زایلن‌ها به پارازایلن می‌گردد. با این حال زئولیت‌های متداول با مشکلات زیادی همچون محدودیت قطر حفره و ناپایداری شیمیایی و حرارتی روبرو می‌باشند. در این راستا در چند سال اخیر پیشرفت‌هایی روی ساخت زئولیت‌های بهتری همچون MCM-48 و برخی از پایه‌های منظم دیگر صورت پذیرفته است.
مواد نانوحفره‌ای منظم نه‌تنها باعث انتخاب‌پذیری واکنش‌های شیمیایی می‌شوند، بلکه پایه ذاتاً ارزانی برای جذب یا فیلتراسیون مولکول‌های پیچیده به حساب می‌آیند. مثلاً پیشرفت‌هایی که در زمینه غشاهای آلومینای آندی فقط در دو سه سال اخیر صورت گرفته است، رؤیای رآکتورهای غشایی (MR) را امکان‌پذیر ساخته است.
در صورتی که پایه‌های نانوحفره‌ای به‌خوبی توسعه یابند، میتوان از یکی دیگر از امکانات فناوری‌نانو یعنی نانوخوشه‌ها در کاتالیزورها سود جست. خوشه‌هایی که از 12 تا 50 اتم تشکیل شده باشند، خواصی متفاوت با اتم‌های منفرد و مواد توده‌ای دارند. این خوشه‌ها به عنوان اتم‌های مجازی می‌توانند خواصی را از خود بروز دهند که هیچ یک از عناصر جدول تناوبی نداشته باشد؛ از همین رو از نانوخوشه‌ها میتوان به عنوان کاتالیزورهایی با خواص نوین استفاده کرد. به عنوان مثال در فرایندی همچون GTL علیرغم آزمایش تمام عناصر جدول تناوبی در ترکیب کاتالیزورها، هنوز انتخاب‌پذیری واکنش بسیار پائین است.
علاوه بر این‌ها مدل‌ها و تئوری‌های جدید نانومقیاس امکان شبیه‌سازی دقیق رفتار نانوساختارهای مختلف را پدید آورده است. از این‌رو میتوان پیش از ساخت و آزمایش گران‌قیمت نانوکاتالیزورها، آنها را در یک محیط مجازی آزموده و از انجام آزمایش‌های غیرضروری پرهیز کرد.
1-2. نحوه درگیری صنعت پتروشیمی در نانوکاتالیزورها
با وجود آن که ساخت کاتالیزورها، جزو صنعت پتروشیمی نیست، اما باید پذیرفت که هیچ بخشی از صنعت به اندازه پتروشیمی از مزایای نانوکاتالیزورها (به عنوان هسته اصلی این صنعت) منتفع نمی‌شود.
مزایای نانوکاتالیزورها واقعاً تکان دهنده است.
اگرچه عرصه تحقیق کاتالیزورها، عرصه‌ای گسترده و با ریسک بالا می‌باشد، اما وسعت کار و تبعاً ریسک نانوکاتالیزورها (به عنوان بخش کوچکی از کل کاتالیزورها) کمتر است.
مدل‌سازی‌های نانومقیاس باعث کاهش آزمایش‌های تجربی و به عبارتی سرمایه‌گذاری می‌گردد.
در صورتی که تنها یک ماده نانوحفره‌ای منظم ساخته شود، از آن میتوان به عنوان پایه‌ای در ساخت انواع کاتالیزورها و فیلتراسیون‌های پیشرفته دیگر سود جست.
ارزش افزوده این مواد بسیار بالاست و نیازمند واحدهای تولیدی خیلی بزرگی نمی‌باشند.
گلوگاه این عرصه، بخش تحقیقات بنیادی است، که هم به‌راحتی در کشور ما قابل انجامند و هم گستره‌ای وسیع و غیرقابل پیش‌بینی دارد (بعید نیست یک ابتکار ساده سبب پیشتازی پتروشیمی کشور در یک عرصه خاص شود).
صنعت پتروشیمی کشور اگرچه متولی تحقیقات نیست، ولی می‌تواند به عنوان پیشران این عرصه به خرید نتایج پژوهشی موفق اقدام کند. به عنوان مثال، این صنعت می‌تواند سالانه تعدادی جایزه به مقالات پژوهشی برتر در این عرصه اعطا کند، تا پایه علمی کشور در این عرصه در راستای منافع پتروشیمی تقویت شود. واریز شدن این وجوه سبب می‌شود آزمایشگاه‌های تحقیقاتی شایسته به سکوهای توسعه فناوری کشور تبدیل شوند. طبیعی است که نتایج پژوهشی بسیار جذاب می‌توانند با حمایت پتروشیمی وارد مرحله توسعه و ساخت پایلوت شوند (برای اطلاعات بیشتر ضمیمه را ببینید).
2. عرصه نانوکامپوزیت‌های پلیمری
2-1. مقدمه
گذشته از هواپیماها، اکثر وزن دیگر وسایل نقلیه را، مواد فلزی سنگینی همچون فولاد تشکیل می‌دهند. گسترش صنعت خودروها و افزایش فزاینده مصرف سوخت، محرک صنایع خودروسازی برای سبک‌سازی خودروها بوده است. با این وجود تاکنون جایگزین ارزان‌قیمتی برای فلزات آهنی پیدا نشده بود. اخیراً توجه فوق‌العاده‌ای به سمت نانوکامپوزیت‌های پلیمری صورت گرفته است، که علیرغم سبکی، از استحکام بالایی برخوردارند. در حال حاضر باتوجه به ارزانی قیمت، از نانوذرات سیلیکاتی استفاده می‌شود، ولی بعید نیست که با کاهش قیمت‌های جهانی در چند سال دیگر، از عناصر قدرتمندتری همچون نانولوله‌های کربنی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری استفاده شود.
ورود نانوکامپوزیت‌های قدرتمند به معنای افت شدید تقاضا برای فولاد و پلاستیک‌های معمولی است.
2-2. نحوه درگیری صنعت پتروشیمی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری
برخلاف نانوکاتالیزورها، نانوکامپوزیت‌ها عرصه‌ای کوچکتر و با دورنمای تجاری مشخص است، که به جای فاز تحقیق، در حال گذراندن فاز توسعه خود می‌باشند. با این حال، کشور ما در امر توسعه معمولاً با کندی و ناکارایی مواجه بوده است. لذا بهترین کار به نظر ما، ریختن طرح شراکت با یک شرکت یا دانشگاه خارجی پیشتاز در این زمینه است. بر اساس این شراکت، هر دو طرف ایرانی و خارجی مسئول تأمین بودجه و انجام تحقیق و توسعه در زمینه نانوکامپوزیت‌ها خواهند بود. این امر سبب کاهش ریسک سرمایه‌گذاری و پیشتازبودن در این زمینه پژوهشی حیاتی است .
عرصه اول: نانوکاتالیزورها (بهره‌گیری از محصولات فناوری‌نانو در بهبود فرایندها)
عرصه دوم: نانوکامپوزیت ها (محصولات جدید مبتنی بر فناوری‌نانو)مقدمه
رفتار ماده در مقیاس میانی نانومتری (یعنی مابین مقیاس آنگستروم تا مقیاس میکرونی) تفاوتی بنیادی با رفتار آن در دیگر مقیاس‌ها دارد و کنترل این رفتار با کمک فناوری‌نانو موجب پدیدآمدن انبوهی از خواص مفید می‌گردد، که می‌توانند منافع تجاری فراوانی را نیز به همراه داشته باشند. در ذیل دو عرصه تحقیق و توسعه فناوری‌نانو که به اعتقاد ما از جذابیت بیشتری برای صنعت پتروشیمی کشور برخوردار می‌باشند، پیشنهاد می‌گردند. عرصه اول به بهره‌گیری از محصولات فناوری‌نانو در بهبود فرایندها و عرصه دوم به محصولات جدید مبتنی بر فناوری‌نانو مربوط می‌شود.
1. نانوکاتالیزورها و مواد نانوحفره‌ای
1-1. مقدمه
فناوری‌نانو نویدبخش بهبود جهش‌آور کاتالیزورهاست و وجود کاتالیزورهای کارا و انتخاب‌پذیر به معنای کاهش تصاعدی هزینه‌های جاری و ثابت واحدهای پتروشیمی است (مثل حذف محصولات جانبی و درنتیجه واحدهای جداسازی، عدم استفاده از فلزات گران‌بها، انجام واکنش در شرایط دما و فشار ملایم‌تر، و پایداری کاتالیزور).
در فرایندهای کاتالیزوری مختلف معمولاً از پایه‌های بسیار متخلخلی استفاده می‌شود، که اندازه حفرات آنها در حد نانومتر است. با این وجود تنها مواد موسوم به زئولیت‌ها دارای اندازه حفره کاملاً تعریف‌شده‌ای می‌باشند. به عنوان مثال هم‌اکنون در صنعت پتروشیمی، اندازه دقیق حفرات زئولیت Y باعث واکنش انتخابی و بسیار اقتصادی ایزومریزاسیون زایلن‌ها به پارازایلن می‌گردد. با این حال زئولیت‌های متداول با مشکلات زیادی همچون محدودیت قطر حفره و ناپایداری شیمیایی و حرارتی روبرو می‌باشند. در این راستا در چند سال اخیر پیشرفت‌هایی روی ساخت زئولیت‌های بهتری همچون MCM-48 و برخی از پایه‌های منظم دیگر صورت پذیرفته است.
مواد نانوحفره‌ای منظم نه‌تنها باعث انتخاب‌پذیری واکنش‌های شیمیایی می‌شوند، بلکه پایه ذاتاً ارزانی برای جذب یا فیلتراسیون مولکول‌های پیچیده به حساب می‌آیند. مثلاً پیشرفت‌هایی که در زمینه غشاهای آلومینای آندی فقط در دو سه سال اخیر صورت گرفته است، رؤیای رآکتورهای غشایی (MR) را امکان‌پذیر ساخته است.
در صورتی که پایه‌های نانوحفره‌ای به‌خوبی توسعه یابند، میتوان از یکی دیگر از امکانات فناوری‌نانو یعنی نانوخوشه‌ها در کاتالیزورها سود جست. خوشه‌هایی که از 12 تا 50 اتم تشکیل شده باشند، خواصی متفاوت با اتم‌های منفرد و مواد توده‌ای دارند. این خوشه‌ها به عنوان اتم‌های مجازی می‌توانند خواصی را از خود بروز دهند که هیچ یک از عناصر جدول تناوبی نداشته باشد؛ از همین رو از نانوخوشه‌ها میتوان به عنوان کاتالیزورهایی با خواص نوین استفاده کرد. به عنوان مثال در فرایندی همچون GTL علیرغم آزمایش تمام عناصر جدول تناوبی در ترکیب کاتالیزورها، هنوز انتخاب‌پذیری واکنش بسیار پائین است.
علاوه بر این‌ها مدل‌ها و تئوری‌های جدید نانومقیاس امکان شبیه‌سازی دقیق رفتار نانوساختارهای مختلف را پدید آورده است. از این‌رو میتوان پیش از ساخت و آزمایش گران‌قیمت نانوکاتالیزورها، آنها را در یک محیط مجازی آزموده و از انجام آزمایش‌های غیرضروری پرهیز کرد.
1-2. نحوه درگیری صنعت پتروشیمی در نانوکاتالیزورها
| ضمیمه - عرصه‌های پیشنهادی برای صنعت پتروشیمی کشور | ||||
| عرصه‌های پیشنهادی | پروژه‌های پیشنهادی | مزایا و منافع | نحوه ورود کشور | علت |
| نانوکاتالیزورها و مواد نانوحفر ه‌ای | مواد نانوحفره‌ای (مقاوم به حرارت) دارای اندازه حفرات کاملاً تعریف‌شده؛ تهیه، تعیین مشخصات و بررسی نحوه کاتالیز خوشه‌های فلزی کاتالیزوری با اندازه و شکل کاملاً تعریف‌شده درون انواع مواد متخلخل؛ شبیه‌سازی نانوکاتالیزورها پیش از تجربه آزمایشگاهی؛ جذب کارای پساب‌های جیوه با SAMMS ؛ فیلتراسیون‌های بسیار کارا با مواد نانوحفره‌ای منظم | کاهش تصاعدی هزینه‌های جاری و ثابت واحدهای پتروشیمی (حذف محصولات جانبی و درنتیجه واحدهای جداسازی، عدم استفاده از فلزات گران‌بها، انجام واکنش در شرایط دما و فشار ملایم‌تر، پایداری کاتالیزور) | اختصاص حدود 30 جایزه سالانه به تحقیقات برتر داخلی در این زمینه جهت ایجاد یک پایگاه علمی قدرتمند در کشور برای بهره‌برداری‌های میان و درازمدت پتروشیمی کشور | قرار داشتن در مرحله تحقیقات بنیادی؛ گستردگی عرصه و غیرقابل پیش‌بینی بودن راهکارهای علمی مختلف آن؛ امکان‌پذیری انجام این تحقیقات در داخل کشور |
| نانوکامپوزیت‌های پلیمری | نانوکامپوزیت‌های آلی- آلی (هسته- پوسته)؛ نانوکامپوزیت‌های معدنی- آلی (نانوذره سیلیکاتی)؛پایش قیمت جهانی نانوساختارها برای تولید نانوکامپوزیت‌های محتمل مبتنی بر آنها | فرصت بازاری بسیار بزرگ تهدید بازاری بسیار بزرگ (افت فوق‌العاده مصرف پلاستیک‌های معمولی و فلزات آهنی) اثرات اقتصادی جانبی کاهش مصرف سوخت خودروها | مشارکت در تحقیق و توسعه یک مؤسسه یا دانشگاه پیشتاز در این زمینه | مشخص‌بودن دورنمای تجاری؛ ضعف داخلی در امر توسعه فناوری؛ به‌روزبودن و داشتن آمادگی نسبت به تحولات این عرصه؛ کاهش ریسک سرمایه‌گذاری |
با وجود آن که ساخت کاتالیزورها، جزو صنعت پتروشیمی نیست، اما باید پذیرفت که هیچ بخشی از صنعت به اندازه پتروشیمی از مزایای نانوکاتالیزورها (به عنوان هسته اصلی این صنعت) منتفع نمی‌شود.
مزایای نانوکاتالیزورها واقعاً تکان دهنده است.
اگرچه عرصه تحقیق کاتالیزورها، عرصه‌ای گسترده و با ریسک بالا می‌باشد، اما وسعت کار و تبعاً ریسک نانوکاتالیزورها (به عنوان بخش کوچکی از کل کاتالیزورها) کمتر است.
مدل‌سازی‌های نانومقیاس باعث کاهش آزمایش‌های تجربی و به عبارتی سرمایه‌گذاری می‌گردد.
در صورتی که تنها یک ماده نانوحفره‌ای منظم ساخته شود، از آن میتوان به عنوان پایه‌ای در ساخت انواع کاتالیزورها و فیلتراسیون‌های پیشرفته دیگر سود جست.
ارزش افزوده این مواد بسیار بالاست و نیازمند واحدهای تولیدی خیلی بزرگی نمی‌باشند.
گلوگاه این عرصه، بخش تحقیقات بنیادی است، که هم به‌راحتی در کشور ما قابل انجامند و هم گستره‌ای وسیع و غیرقابل پیش‌بینی دارد (بعید نیست یک ابتکار ساده سبب پیشتازی پتروشیمی کشور در یک عرصه خاص شود).
صنعت پتروشیمی کشور اگرچه متولی تحقیقات نیست، ولی می‌تواند به عنوان پیشران این عرصه به خرید نتایج پژوهشی موفق اقدام کند. به عنوان مثال، این صنعت می‌تواند سالانه تعدادی جایزه به مقالات پژوهشی برتر در این عرصه اعطا کند، تا پایه علمی کشور در این عرصه در راستای منافع پتروشیمی تقویت شود. واریز شدن این وجوه سبب می‌شود آزمایشگاه‌های تحقیقاتی شایسته به سکوهای توسعه فناوری کشور تبدیل شوند. طبیعی است که نتایج پژوهشی بسیار جذاب می‌توانند با حمایت پتروشیمی وارد مرحله توسعه و ساخت پایلوت شوند (برای اطلاعات بیشتر ضمیمه را ببینید).
2. عرصه نانوکامپوزیت‌های پلیمری
2-1. مقدمه
گذشته از هواپیماها، اکثر وزن دیگر وسایل نقلیه را، مواد فلزی سنگینی همچون فولاد تشکیل می‌دهند. گسترش صنعت خودروها و افزایش فزاینده مصرف سوخت، محرک صنایع خودروسازی برای سبک‌سازی خودروها بوده است. با این وجود تاکنون جایگزین ارزان‌قیمتی برای فلزات آهنی پیدا نشده بود. اخیراً توجه فوق‌العاده‌ای به سمت نانوکامپوزیت‌های پلیمری صورت گرفته است، که علیرغم سبکی، از استحکام بالایی برخوردارند. در حال حاضر باتوجه به ارزانی قیمت، از نانوذرات سیلیکاتی استفاده می‌شود، ولی بعید نیست که با کاهش قیمت‌های جهانی در چند سال دیگر، از عناصر قدرتمندتری همچون نانولوله‌های کربنی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری استفاده شود.
ورود نانوکامپوزیت‌های قدرتمند به معنای افت شدید تقاضا برای فولاد و پلاستیک‌های معمولی است.
2-2. نحوه درگیری صنعت پتروشیمی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری
برخلاف نانوکاتالیزورها، نانوکامپوزیت‌ها عرصه‌ای کوچکتر و با دورنمای تجاری مشخص است، که به جای فاز تحقیق، در حال گذراندن فاز توسعه خود می‌باشند. با این حال، کشور ما در امر توسعه معمولاً با کندی و ناکارایی مواجه بوده است. لذا بهترین کار به نظر ما، ریختن طرح شراکت با یک شرکت یا دانشگاه خارجی پیشتاز در این زمینه است. بر اساس این شراکت، هر دو طرف ایرانی و خارجی مسئول تأمین بودجه و انجام تحقیق و توسعه در زمینه نانوکامپوزیت‌ها خواهند بود. این امر سبب کاهش ریسک سرمایه‌گذاری و پیشتازبودن در این زمینه پژوهشی حیاتی است .
افراد مقاله : مرتضی مغربی (نویسنده مسئول)
